Published May 1986 | Version v1
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A theory of fractal fluids

Description

Practical fluid mechanic problems may be characterized by a length scale epsilon, below which we are not able or not willing to resolve details of density or velocity distributions. Conventional fluid mechanics assumes that below the epsilon-scale all essential quantities (in particular the density and velocity) can be considered as continuous and are accurately enough described by their average values taken over control volumes of size epsilon. This assumption, however, is not valid for many problems of interest. The category of these problems includes both turbulent flow and two-phase flow. The fundamental property of these fluids is that local flow characteristics (such as density or velocity) at any given point must be considered to be different from any (possibly weighted) average of this quantity in a small control volume surrounding this point, even for the smallest control volumes we can practically choose. This paper presents a new method to deal with such problems of fluid mechanics. The method is based on a rigorous treatment of the transport theorem and uses Taylor series expansions (with third order accuracy in the spatial variables) of the essential functions whenever exact solutions could not be obtained. A closed system of partial differential equations is derived. It contains conventional fluid dynamics as a special case as well as results which can be derived from the kinetic theory of gases. (orig./GL)

Availability note (English)

MF available from INIS under the Report Number.

Abstract (German)

Fluidmechanik-Probleme sind in der Praxis oft durch einen Laengenmassstab epsilon gekennzeichnet, unterhalb dessen wir Details der Dichte oder Geschwindigkeitsverteilung nicht mehr aufloesen koennen oder nicht mehr wollen. Die konventionelle Fluidmechanik nimmt an, dass unterhalb von epsilon alle wesentlichen Funktionen, speziell Dichte und Geschwindigkeit, als stetig angesehen werden und durch ihre ueber ein Kontrollvolumen gemittelten Werte genau genug beschrieben werden koennen. Diese Annahme trifft jedoch fuer viele interessierende Probleme nicht zu. Dieser Problembereich umfasst turbulente Stroemungen ebenso wie Zweiphasen-Stroemungen. Die fundamentale Eigenschaft solcher Fluide ist, dass die lokalen Verteilungsfunktionen der wichtigen Groessen an jedem Punkt sich wesentlich von jedem (auch gemittelten) Mittelwert in der Umgebung dieses Punktes unterscheiden koennen, so klein wir auch diese Umgebung waehlen. Hier wird nun eine neue Methode vorgeschlagen, Fluidmechanik-Probleme dieser Art zu behandeln. Die Methode baut auf einer strengen Auswertung des Transport-Theorems auf und verwendet Taylorreihen-Entwicklungen der wesentlichen Funktionen bis zur Genauigkeit dritter Ordnung in den raeumlichen Variablen, soweit nicht exakte Gleichungen abgeleitet werden koennen. Ein in sich geschlossenes System von Differentialgleichungen wird hergeleitet. Es beinhaltet die uebliche Stroemungsmechanik als Sonderfall ebenso wie Ergebnisse der kinetischen Theorie der Gase. (orig./GL)

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63 p.
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KFK--4070